焊点热疲劳失效分析

摘要：某PCBA样品在使用约半年后出现功能失效，该PCBA在封装后进行整体灌胶，将失效样品剥离，发现部分器件直接脱落，通过表面观察、切片分析、EBSD分析、应力分析、热膨胀系数测试等手段对样品进行分析，结果表明：各封装材料存在热失配，焊点缺陷较多且存在应力集中区，加速焊点的疲劳失效进程，导致PCBA功能失效。

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案例背景

失效样品为封装后整体灌胶的PCBA，该PCBA在使用约半年后出现功能失效，将失效样品的胶剥离后，发现部分二极管直接脱落，脱落二极管的引脚材料为A42（铁镍合金），引脚表面镀铜镀纯锡，PCB焊盘为OSP焊盘。

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分析方法简述

2.1 外观检查

将样品进行剥胶处理后，发现确实存在器件脱落现象，脱落器件均为二极管器件，且主要集中在三个区域位置，脱落后焊盘端和二极管引脚端未发现明显的异常污染现象，正常焊点成型良好。

2.2 表面SEM+EDS分析

通过对NG样品PCB焊盘、NG样品器件引脚，以及OK样品相应位置进行分析，发现失效样品断口主要呈现脆性断裂，OK样品断口呈现塑性断裂，对于焊锡材料自身性能来讲出现塑性断裂才是其正常表现形式，此外，失效样品裂缝沿焊点内部扩展，而不是常见的焊点界面。

图2 NG焊点焊盘端SEM+EDS

图3 NG焊点器件端SEM+EDS

图4 OK焊点焊盘端SEM+EDS

图5 OK焊点器件端SEM+EDS

2.3 切片分析

通过对失效焊点和正常焊点进行切片分析，发现器件脱落的断裂位置位于器件引脚IMC层下方焊料中，且部分NG焊点中焊料存在裂纹。从NG焊点剖面开裂，及表面分析结果可以初步断定此次失效属于典型的焊点疲劳开裂。

图6 NG焊点切片SEM图片

2.4 EBSD分析

通过对失效焊点进行EBSD（电子背散射衍射）分析，发现NG焊点中焊料的晶粒尺寸较为粗大，焊料中的断裂形式为沿晶断裂。

图7 NG-2焊点焊料的EBSD分析图片 a)晶界图

图7 NG-2焊点焊料的EBSD分析图片b)取向图

2.5 应力分析

器S件引脚与焊点界面处应力应变较大，说明此处是失效多发区域，这也解释了为什么裂纹沿器件引脚近界面处开裂的原因。

图8 焊点在热循环过程中累积的等效非弹性应变

2.6 热膨胀系数测试

测试条件：在N2环境中，以5℃/min的速率从-70℃升温到160℃。

测试结果：温度区间为23℃~123℃，CTE测试结果为181.7 ppm/℃。

测试结果表明，此封装胶体的热膨胀系数较大，胶体较硬，且此PCBA用于电源产品，使用过程中必然经受较高的温度，在不断的高低温循环条件下，焊点极易产生疲劳开裂。此外，二极管本身也存在功耗，焊点服役环境相比其他器件焊点会更加恶劣，所以二极管焊点失效概率必然较大。

图9 封装胶体热膨胀系数测试曲线

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分析与讨论

从焊点开裂表面形貌分析可知，焊点开裂属于脆性断裂；切片分析可知，裂纹沿器件引脚近界面处萌生和开裂，EBSD（电子背散射衍射）测试结果表明，裂纹属于沿晶开裂，且组织较为粗大。

以上特征表明，二极管焊点开裂属于典型的疲劳开裂，其机理是蠕变与疲劳损伤复合累积的结果[1]，宏观上表现为热疲劳损伤导致在焊料与基板过渡区（即高应力区）产生初始裂纹，然后逐渐沿近界面扩展至整个焊点长度；微观上表现为热疲劳断口表面有微空洞和蠕变沿晶界断裂的痕迹[2-3]。

力学分析表明，器件引脚附近的应力应变较大，与实际失效位置完全一致，验证了焊点疲劳开裂的正确性。热膨胀系数测试结果表明，PCBA外围的封装胶体CTE高达181.7 ppm/℃，而电源产品在使用过程中必然产生高温（二极管本身存在一定功耗，会加剧温升），间歇性使用所带来的温度循环会导致焊点低周疲劳，封装胶与器件、PCB间的热失配会进一步加剧疲劳进程。同时，焊点本身存在较多缺陷，抗疲劳能力下降[4-5]。

以上种种原因共同作用导致焊点疲劳开裂。

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结论

二极管焊点开裂属于焊点疲劳失效，导致其失效的原因为：①焊点缺陷较多且存在应力集中区，加速焊点的疲劳失效进程。②材料间的热失配。

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建议

（1）重新选择封装胶体类型，降低胶体所带来的内应力；

（2）加强散热设计，降低电源使用过程中的温度；

（3）优化焊接工艺，尽量减少焊接缺陷及应力集中。

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参考文献

[1] 王考, 陈循等. QFP焊点形态预测及可靠性分析[J], 强度与环境, 2004, 31(1).

[2] 盛重, 薛松柏等. QFP器件微焊点热疲劳行为分析[J], 焊接学报, 2009, 30(12).

[3] 林健, 雷永平等. 电子电路中焊点的热疲劳裂纹扩展规律[J], 机械工程学报, 2010, 46(6).

[4] 林健, 雷永平等. 板极封装焊点中热疲劳裂纹的萌生及扩展过程[J], 稀有金属材料与工程, 2010, 39(1).

[5] 王考, 陈循等. 温度循环应力剖面对QFP焊点热疲劳寿命的影响[J], 计算力学学报, 2005, 22(2).

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